Columnas Caminantes: Una Solución a la Complejidad Estructural y Arquitectónica

Cuando los diseños de pisos cambian, como un estacionamiento debajo de un vestíbulo u oficinas debajo de apartamentos, a menudo requiere cambiar las retículas de columnas para satisfacer tanto las necesidades arquitectónicas como funcionales. Es entonces cuando una columna caminante proporciona una alternativa inteligente y práctica a las voluminosas vigas de transferencia o las visualmente intrusivas columnas inclinadas.

a) Disposición de columna inclinada, y b) Disposición de columna de transferencia y viga de transferencia

Una columna caminante es una columna estructural que se desplaza o "camina" horizontalmente entre pisos, permitiendo que la ubicación en planta de la columna se desplace gradualmente sin transferencias abruptas de carga. A diferencia de las columnas inclinadas o rastrilladas, las columnas caminantes están compuestas de segmentos apilados verticalmente desplazados en cada nivel de piso. Esto las hace más fáciles de construir e integrar en sistemas de encofrado convencionales mientras mantienen una trayectoria de carga relativamente directa, que es un principio clave en el diseño estructural eficiente.

a) Columna caminante en edificio real, y b) Mecanismo de transferencia de carga de columna caminante (SheerForce Engineering, 2021).

Puedes encontrar una descripción detallada de diferentes sistemas estructurales, incluyendo sus métodos de transferencia de carga junto con sus respectivos beneficios y desventajas, en la siguiente página web de SheerForce Engineering.

Problemas que surgen

Aunque las columnas caminantes pueden ser una ventaja en ciertos diseños estructurales, también traen desafíos de diseño únicos que van más allá del alcance de códigos convencionales como ACI 318 o Eurocode. Estos elementos típicamente exhiben relaciones bajas de luz-a-peralte, que van de 1:9 a 1:4, haciéndolos fundamentalmente diferentes de las vigas profundas. Para relaciones por debajo de 1:4, las vigas profundas son generalmente favorecidas debido a su resistencia mejorada al volcamiento, apoyadas en dos caras opuestas. En contraste, la geometría esbelta de las columnas caminantes puede inhibir la formación de campos de compresión diagonales tipo puntal que son característicos del comportamiento de viga profunda. 

Como resultado, su diseño requiere consideración cuidadosa de la acción de puntal del diafragma, refuerzo complejo de nodos, y dependencia de enfoques basados en mecánica como el método de puntal y tensor (STM). Si STM permanece efectivo y eficiente a través de todas las relaciones de aspecto, particularmente en casos esbeltos, necesita evaluación adicional a través de herramientas FEM orientadas científicamente, asegurando tantola seguridad estructural como la optimización de materiales. Sin embargo, usar tal software para el diseño de columnas de concreto puede ser muy consumidor de tiempo debido a su naturaleza iterativa..

IDEA StatiCa Detail ayuda a los ingenieros a encontrar una solución que proporciona análisis suficientemente realista basado en datos de entrada (no solo estimación), mientras al mismo tiempo evita la necesidad de pasar horas o incluso días en modelado. Usando Detail, puedes realizar análisis FEM aplicando el método CSFM, así como modelar usando las entidades disponibles en la aplicación. Esto reemplaza la necesidad de definir manualmente todas las interacciones entre refuerzo y concreto, condiciones de frontera, o mallado ya que el software maneja estos aspectos automáticamente.

Seguridad estructural por encima de todo

En el método de puntal y tensor, asumimos cómo se verá el modelo de puntal y tensor y luego diseñamos sus componentes individuales en consecuencia. De manera similar, las relaciones mencionadas arriba usualmente se basan en experiencia. Pero ¿qué pasa si necesitamos diseñar un tipo de estructura ligeramente diferente? ¿Podemos estar 100% seguros de que la estructura aún se comporta exactamente como se asume? Los métodos FEM pueden proporcionarte ese nivel de confianza. 

Ohio State University recientemente publicó una comparación del uso de SaT, CSFM (vía IDEA StatiCa), y FEM (ABAQUS) para analizar varios modelos, con el análisis comparativo revelando tendencias claras. ABAQUS consistentemente predijo capacidades más altas, reflejando su fortaleza en capturar comportamiento complejo de materiales y condiciones de carga. En contraste, STM y CSFM (con factores ϕ) produjeron estimaciones más conservadoras. CSFM demostró ser una herramienta confiable para evaluar columnas caminantes, ofreciendo perspectivas valiosas sobre mecanismos de falla y rendimiento estructural.Puedes leer el estudio completo aquí.

Comparación de la dirección de tensiones principales calculadas usando los modelos IDEA StatiCa y ABAQUS

De la teoría a la práctica

En la práctica, los casos ideales que coinciden con modelos teóricos no siempre están disponibles. Un beneficio clave de IDEA StatiCa Detail (CSFM) es su capacidad para modelar y analizar cualquier geometría, independientemente de la complejidad, ofreciendo a los ingenieros un alto grado de flexibilidad. Los resultados incluyen campos de tensión y deformación, anchos de grieta, trayectorias de carga, y relaciones de utilización, que proporcionan al usuario una comprensión muy clara de lo que está sucediendo dentro de la estructura y cómo se está aplicando la carga. Es posible llevar a cabo estas evaluaciones tanto en ACI como EN ya que la aplicación incluye bibliotecas de materiales y coeficientes para ambos códigos. Se puede generar un informe completo de los resultados, incluyendo la exportación de la lista de materiales y el diseño del refuerzo.

Para una mejor comprensión del proceso de modelado, resultados, y la aplicación misma, echa un vistazo al tutorial paso a paso o este webinar* dedicado al tema.

*Aunque la interfaz de la aplicación ha cambiado ligeramente desde la versión mencionada en el webinar, el método y los principios de modelado permanecen iguales.

a) Modelo reforzado de columna caminante en IDEA StatiCa, b) Resultados - campos de tensión del concreto, y c) Resultados - deflexión

CSFM no es un concepto nuevo, es un método establecido que ha estado en uso durante varios años, y ha sido validado tanto en investigación académica como en aplicaciones del mundo real. Un ejemplo notable es IMEG, un pionero en el campo de las columnas caminantes, que ahora usa IDEA StatiCa Detail para verificar modelos de puntal y tensor para elementos estructurales críticos. Uno de los proyectos donde IDEA fue usado para verificar detalles críticos es Laurel Rittenhouse Square Project, mostrado en el centro de la imagen abajo.

Ejemplos usando columnas caminantes - Vancouver House, The Laurel Rittenhouse Square, Seminole Hard Rock Hotel and Casino by IMEG

Conclusión

Las columnas caminantes ofrecen una solución estructural inteligente y práctica para cambiar retículas de columnas en diseños de edificios complejos, evitando la necesidad de vigas de transferencia voluminosas o columnas inclinadas visualmente intrusivas. Su geometría única, sin embargo, introduce varios desafíos de diseño no completamente abordados por códigos convencionales, requiriendo métodos de análisis avanzados.

El uso combinado del Método de Puntal y Tensor (STM) y FEM, particularmente a través de herramientas como IDEA StatiCa Detail, proporciona a los ingenieros un medio confiable y eficiente para modelar y evaluar columnas caminantes. Con soporte para estándares tanto ACI como EN, bibliotecas de materiales integradas, y características completas de reportes, IDEA StatiCa Detail te permite cerrar la brecha entre conceptos teóricos e implementación práctica.